STATCOM用于風電場治理電壓波動的仿真研究

高士然 唐杰 劉白楊 王躍球

摘 要：在風電場中，雙饋風機自身無功調節能力較弱，大規模風機并網時，由于風況、風機特性以及電網狀況都會引起并網點產生電壓波動，從而影響系統的穩定性。分析風電場中電壓波動的產生原因，并引入靜止同步補償器（STATCOM），以抑制系統的電壓波動。最后建立了采用STATCOM抑制系統電壓波動仿真模型，對比了傳統PI調節與非線性PI調節在抑制電壓波動的性能。

關鍵詞：并網；電壓波動；STATCOM； 非線性PI調節

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.01.141

0 前言

由于能源短缺與環境污染的加劇，促使風能、光能等新能源加速成為傳統化石燃料的替代品，以抑制環境惡化。自1990年以來，風力發電技術的發展已日趨成熟[1]。但由于大多數大型風力發電場處于電網的末端，是電網網架結構中相對薄弱的一端，其大規模接入地區電網會給電網穩定運行帶來很大壓力。

目前，變速恒頻運行的雙饋感應發電機技術在大型風力發電場中廣泛應用，但由于風力發電具有間歇性和波動性，而且雙饋感應發電機自身的無功調節能力會隨著輸出功率的增大而下降的特點，當系統出較大現異常時，會出現無法維持系統無功平衡的現象，使得系統中的功率產生波動，而系統功率的波動會導致并網點產生電壓波動，這對電網的電能質量產生嚴重影響[2-3]。為了穩定并網點電壓，抑制電壓波動，在風電場并網點處引入STATCOM以維持系統無功，穩定系統電壓顯得尤為重要。STATCOM由于其響應速度快，不會向系統注入諧波，暫態條件下能夠提供良好的無功功率響應等特點，在擴大風電場無功運行范圍，保障并網點電壓水平上起到至關重要的作用。

本文通過分析產生電壓波動的原因，以進一步分析電壓波動對系統電壓的影響，建立STATCOM抑制電壓波動仿真模型，驗證了在在風電場中引入STATCOM可行性和對STATCOM采取的控制策略的可靠性。

1 電壓波動分析

當并網電流、有功輸出和無功輸出波動已知時，則并網點電壓近似為

（1）

式中為波動電壓，為電網波動電流；為功率因數角。波動電壓向量圖如下圖（圖1）所示。

為產生波動后的電壓。其中線路中的，所以系統波動電壓為：

（2）

由上式可知，系統電壓波動的主要原因為無功功率的波動。

雙饋風力發電機可以通過連接的變頻器來控制轉子的電流，可解偶的調節器其定子輸出的有功功率與無功功率，但在其隨著功率輸出的增大，而無功調節能力逐漸下降最終超出無功調節范圍，這時需要與無功補償裝置協同工作以平衡系統無功功率，進而抑制由無功功率波動而引起的電壓波動。

2 STATCOM抑制電壓波動的原理

整個STATCOM系統由主電路、檢測電路、控制電路以及連接電抗器組成。主電路為三項電壓型橋式逆變電路，控制器采用非線性PI與解耦控制的電壓控制器。

整個STATCOM裝置相當于一個可控電壓源，STATCOM在風電場并網端的單項等效電路（以單項為例）如圖2所示。

其中US為STATCOM產生的電壓，UI為STATCOM接入點的電壓，UL為連接電抗的電壓。則STATCOM吸收的電流為

（3）

連接電抗的電壓UL為

由工作向量圖3可知，通過控制STATCOM產生電壓US，以實現改變連接電抗上的電壓UL，進而通過STATCOM吸收或發出無功功率。當時，電流超前電壓90。，STATCOM吸收無功功率；當時，電壓超前電流90。，STATCOM發出無功功率。

通過對STATCOM輸出電壓的控制，以改變電抗器的無功功率，以平衡系統中功率，進而抑制由于功率波動所引起的電壓波動。

3 非線性PI與解耦控制的電壓控制器

本控制器采用非線性PI控制與前饋解耦控制相結合的雙閉環控制策略[4-7]。

3.1 非線性PI控制

在傳統PID控制中通常采用的是較為單一的線性控制方式，而這種傳統PID控制器會產生系統快速反應與超調量之間的矛盾關系。因此引入用某種非線性形式來重新組合P、I、D三個參量，以提高其適應性和魯棒性。

針對非線性控制方法大體分為兩種：第一種為采用模糊數學、神經網絡等現代算法對傳統PI控制進行修正。優點在于其非線性構造能力強，可逼近任意非線性函數，但面臨著計算量大，算法中參數調試復雜的困難，不利于大規模的工程應用；第二種為直接利用已知得非線性函數對傳統PI控制進行修正，雖然其非線性構造能力相比第一種較弱，但實現簡單，運算量相對較小的優點，是在工程應用中常用的PI控制方法。

本控制器中PI控制器采用基于fal函數的非線性PI控制器。由于fal函數具有“大誤差，小增益；小誤差；大增益”這一工程應用的特點，使得其具有快速收斂的特性[8]。本文中非線性PI控制器的組合形式為：

（4）

其中和為基于fal函數的非線性函數，e為誤差信號，為所選PI參數。

3.2 解耦控制的電壓控制器

STATCOM電壓控制系統采用電壓電流雙閉環控制，其結構圖如圖4所示。在電壓外環中，STATCOM連接點的電壓反饋值Upcc與電壓給定值U*pcc進行比較，產生的誤差經過非線性PI控制器調節后，生成無功電流的給定值i*q；直流側電容的反饋電壓值Udc與給定電壓值U*dc進行比較，產生的誤差通過非線性PI控制器調節后，生成有功電流的給定值i*d。而無功電流給定值i*q與有功電流給定值i*d，作為電流內環的輸入值。逆變器的交流輸出電流ia、ib、ic經過d-q轉換后所得的直流分量id、iq。STATCOM連接點的三相電壓ua、ub、uc經d-q轉換后得到直流分量ud、uq。在電流內環中，有功電流給定值i*d與id進行比較，產生的誤差值經PI控制器調節后，再與ud與iq的耦合值進行比較得到ed；無功電流給定電流值i*q與iq進行比較，產生的誤差值經PI控制器調節后，與uq與id的耦合值進行比較得到eq。ed、eq經d-q轉換后，將生成的信號經過PWM生成電路，產生3對互補的6路PWM信號，以驅動三相逆變器。

4 實現結果

本文利用MATLAB/Simulink建立了10kV的風電場系統波動仿真模型并驗證了在出現電壓波動時，STATCOM對系統電壓波動的抑制效果。

從圖5可以看出，在1S之1.2S期間系統電壓出現波動， STATCOM在故障出現的同時對系統出現的電壓波動進行抑制。其中圖a）、b）分別為采用傳統線性PI調節時的系統電壓與采用非線性PI調節后的系統電壓。

由此可見，采用非線性PI調節在抑制電壓波動上的效果明顯優越于采用傳統線性PI調節。

5 結語

針對風電場雙饋風力發電機因自身無功調節能力較為脆弱，引入STATCOM以抑制系統電壓波動。試驗結果表明，本文將STATCOM引入風電場電壓波動抑制是可行的、有效的，這也為提高風電場無功功率穩定運行提供了保障。

參考文獻：

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基金項目：湖南省教育廳科學研究重點項目（15A170）；湖南省科技計劃項目（2016TP1023）

作者簡介：高士然（1992-），男，河北滄州人，碩士研究生，研究方向：分布式發電電能質量控制技術。